B4      Eine experimentelle Bestätigung: Myonen 1


Lange Zeit existierten kaum experimentelle Bestätigungen zu Einsteins Relativitätstheorien. Dies hat sich mit der Entwicklung von Atomuhren und der modernen Elektronik ab 1960 sehr geändert, was der Relativitätstheorie als Forschungsgebiet auch wieder Auftrieb gegeben hat.

Eine erste Bestätigung der relativistischen Zeitdilatation fand sich in der verlängerten Halbwertszeit von schnellen Myonen (B.Rossi und D.B.Hall 1941). Diese entstehen in 10 bis 20 km Höhe über der Erdoberfläche, wenn hochenergetische Teilchen der kosmischen Höhenstrahlung auf ein Atom in der Erdatmosphäre auftreffen. Myonen unterscheiden sich von Elektronen dadurch, dass sie eine viel grössere Masse haben und instabil sind. Langsame Myonen haben eine Halbwertszeit von 1.52 µs. Die extrem schnellen Myonen, die von der Höhenstrahlung erzeugt werden, bewegen sich fast mit Lichtgeschwindigkeit und sollten daher nach Newton während einer Halbwertszeit etwa 1.52·10-6·3·108 m zurücklegen, also ungefähr 456 m . Misst man den Fluss solcher Myonen, so müsste sich dieser habieren, wenn man die Höhe über Meer um 456 m vermindert. Tatsächlich nimmt er aber viel langsamer ab. Da die Myonen etwa in 15 km Höhe entstehen, müssen sie bis auf Meereshöhe 33 x diese Strecke von 456 m zurücklegen, von 233 erzeugten Myonen würde also nur eines den Weg bis in unseren Detektor schaffen, was ebenfalls nicht zur beobachteten Dichte des Myonenstroms passt: In Deutschland werden auf Meereshöhe pro Quadratmeter und Sekunde ca. 200 Myonen gezählt.

Quantitativ viel genauer hat man die Zeitdilatation bei Myonen 1975 am CERN getestet. Dazu wurden Myonen in grossen Mengen erzeugt und mit der Geschwindigkeit von 99.942 % von c in einem speziellen Speicherring gehalten. Es zeigte sich, dass ihre Halbwertszeit bei dieser Geschwindigkeit 44.6 µs beträgt, in völliger Übereinstimmung mit unserer Formel von B2 (rechne!). Genaueres dazu findet sich in [08-13f].

 

Myonen-Speicherring des Brookhaven National Laboratory, USA